Влияние аэрозольного рассеяния и турбулентности в атмосфере Земли на пространственно-частотное разрешение оптических спутниковых систем

Влияние аэрозольного рассеяния и турбулентности в атмосфере Земли на пространственно-частотное разрешение оптических спутниковых систем


В настоящем докладе рассмотрена проблема взаимного влияния атмосферной турбулентности и аэрозольно-молекулярного рассеяния солнечного излучения на пространственно-частотное разрешение (Δ) бортовых оптических приборов космического базирования. Количественная оценка деградирующего влияния атмосферной турбулентности на космическую видеоинформацию при наличии в атмосфере Земли рассеивающих и поглощающих аэрозольных частиц и молекулярной компоненты была проведена в рамках основных положений теории линейных оптических систем и Фурье-преобразований оптических сигналов [1]-[2]. При отсутствии фазовых искажений в космических изображениях и спектрах яркости природных образований величина Δ определена с помощью частотно-контрастной характеристики наземной гармонической мирры P(ν), наблюдаемой со спутника, или альтернативно на основе оптической передаточной функции |Π(ν)| системы «атмосфера - наземный (надводный) объект - фон» [3]. Проведенные расчеты оптической передаточной функции турбулентной атмосферы |Π_турб (ν)| и бортовой спутниковой аппаратуры |Π_приб (ν)| показали, что их величины существенно зависят от метеорологических условий, особенно на высоких пространственных частотах ν. Спектральная зависимость этих функций показывает для |Π_турб (ν)| относительно слабое увеличение и, соответственно, уменьшение для |Π_приб (ν)| с ростом длины волны λ. Однако учет совместного влияния атмосферной турбулентности молекулярно-аэрозольного рассеяния света обуславливает уменьшение величины |Π_турб (ν)|×|Π_приб (ν)| с увеличением λ. Учет частотно-контрастных характеристик спутниковой оптической аппаратуры приводит к противоположной зависимости указанной величины от длины волны λ. При этом совместное влияние аэрозольно-молекулярного рассеяния и бортовой оптической аппаратуры на качество космической видеоинформации среднего и низкого пространственного разрешения существенно больше, чем влияние атмосферной турбулентности.
Согласно расчетам, проведенным в [4], при λ = 550 нм в случае аэрозольно-молекулярного рассеяния величина Δ ≈ 200-300 м. При учете только атмосферной турбулентности аналогичная величина при λ = 550 нм равна Δ ≈ 1-10 м. Таким образом, в видимой области спектра (λ = 400 – 800 нм) многократное аэрозольно-молекулярное рассеяние и поглощение солнечного излучения в атмосфере Земли приводят к искажению деталей космических изображений и спектров яркостей, начиная с пространственных частот ν > (3 – 5) 1/км. Что касается атмосферной турбулентности, то ее учет необходимо проводить при съемке Земли из космоса только для мелкомасштабных и высокочастотных фрагментов космических изображений и спектров природных образований при ν > (102 - 103) 1/км.

Литература
О.И. Смоктий, В.А. Фабриков. Методы теории систем и преобразований в оптике. М., Наука, 1989, 312 c.
А. Марешаль, М. Франсон. Структура оптического изображения. М., Мир, 1964, 295 с.
Lutomirski R., Yura H. Imaging of extended object through a turbulent atmosphere // Appl. Opt., v. 13, №2, 1974, p. 431-437.
О.И. Смоктий. Моделирование полей излучения в задачах космической спектрофотометрии. М., Наука, 1986, 352 с.